美科学家利用氧离子追踪宇宙演化

在一个典型的星系中，恒星生成率会在大爆炸20亿～30亿年里逐渐升高，之后的100亿～110亿年里则会逐渐降低。

据国外媒体报道，加州大学河滨分校的天文学家开展的一项新研究表明，早期宇宙中年轻的炽热恒星电离了氧气。该研究还给出了随着时间的推移，这一项效应对星系演化的影响。这篇文章第一次测出了从125亿年前至今，宇宙中氧发射谱线强度的变化。文章的主要结论是，随着时间的推移，宇宙中二价氧离子越来越少。而一价氧粒子在直到110亿年前是逐渐增加的，之后的10~20亿年里其数量开始逐渐减少。

产生两种不同演化过程的原因是生成恒星的星系内物理环境发生了改变。在早期宇宙，由新生恒星输入气体的电离能会更大一些。这一结果最近发表在皇家天文学会的每月公告上。它为下一代望远镜的巡天观测确立了框架。比如詹姆斯韦伯空间望远镜，该望远镜能让天文学家了解在第一代星系中，那些生成恒星的星系内部的情况。一个星系可以被看做一个使用冷气体生成恒星的工厂，工厂的效率各有不同。因此，我们可以用恒星生成率，星体质量，和气体成分大致确定演化参量。

星系的恒星生成率并非一成不变的。在一个典型的星系中，恒星生成率会在大爆炸20亿～30亿年里逐渐升高，之后的100亿～110亿年里则会逐渐降低。换言之，在星系生成恒星的活跃性渐缓后，宇宙会出现生产危机。由于冷气体是生成恒星的原料，我们有必要了解宇宙中的这些气体从古至今物理状态的变化。文章的第一作者，加州大学河滨分校物理与天文系研究生Ali Ahmad Khostovan表示，研究星系中恒星生成区域内气体状态的一种方法是观测发射谱线。

这些谱线是由明亮，巨大而短寿的恒星与周遭媒介相互作用时产生的。这一相互作用的结果就是区域内的原子会被打破——也就是电离。发射谱线只在相当重的恒星发光时才可见，因此由这些谱线追溯出的时间尺度取决于这些恒星的预期寿命（大约1000万～5000万年）。借此，发射谱线可用于追踪在恒星生成区域的状态以及发生的瞬时事件。在研究中，研究人员使用了一个选自高Z发射谱线巡天（HiZELS）的星系发射谱线样本来追踪单价氧离子和二价氧离子发射谱线强度演化。

这两条线的重要之处在于，它们提供了气体在其能量激发（电离）状态下有关的信息。因为这两条线之间的主要差别就是气体从一价电离子到二价电离子所需的能量。能做到这一点是由于HiZELS独特的设计。

该巡天使用了四个窄波段滤波器，一个安装在夏威夷的昴星团望远镜上，另外三个则安装在同样位于夏威夷，属于英国的红外望远镜（UKIRT）上。这些滤波器的波段足够窄，使得一条发射谱线的光会完全的充满望远镜的传感器。由于发射谱线很窄且拥有红移，它们成为了宇宙历史中四个时间点（每个时间点对应一个滤波器）的证人。

作者还是用了大量来自其它陆基望远镜（比如加拿大法国夏威夷望远镜）和空间望远镜（比如美国航天局斯皮策空间望远镜）的数据作为辅助，他们的样本还包括W.M.Keck天文台的DEIMOS和MOSFIRE光谱以及来自其它研究的光谱。整个研究一共由7000个星系组成。